2 курс / Нормальная физиология / Роль_газотрансмиттеров_в_механизмах_транспорта_кислорода_кровью
.pdfтканях сердечно-сосудистой системы (в сосудистой системе, сердце и клетках крови), а также присутствие H2S во всех этих тканях убедительно свидетельствуют в пользу того, что сердечно-сосудистая система является источником эндогенного сероводорода [16, 17].
По результатам постоянно растущего числа исследований по оценке эффектов сероводорода в сердечно-сосудистой системе становится понятно, что эта малая газовая молекула участвует в разных процессах, затрагивающих различные типы тканей и клеток, которые реализуются посредством разнообразных механизмов [17]. Некоторые механизмы и пути трансдукции сигнала удалось идентифицировать, однако большая часть этих процессов требует детального изучения. Постепенно укрепляющееся понимание биологической и клинической значимости сероводорода в поддержании гомеостаза сердечно-сосудистой системы позволит прояснить неизвестные аспекты патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний и обеспечит новые подходы к разработке инновационных методов их лечения.
Влияние сероводорода на деятельность сердца
Сероводород как кардиопротектор
Результаты современных исследований убедительно свидетельствуют о том, H2S оказывает защитное действие в отношении миокарда при аритмии, гипертрофии миокарда, фиброзе миокарда, инфаркте миокарда, при ишемии-реперфузии и сердечной недостаточности, тем самым демонстрируя кардиопротекторный эффект [18].
Доказано, что повышенный уровень сероводорода в тканях миокарда, который формируется либо посредством его эндогенной продукции, либо при экзогенном поступлении, предотвращает его ишемическое повреждение, защищая сердце. Механизмы такого защитного действия сероводорода пока до конца не изучены, однако установлены молекулярные механизмы, обеспечивающие его сосудорасширяющее, антиоксидантное, антиапоптотическое , противовоспалительное действие и влияющие на клеточный метаболизм [7].
171
Кардиопротекторный эффект сероводорода, выражающийся в уменьшении зоны повреждения миокарда при ишемии/реперфузии, продемонстрирован в ряде экспериментальных работ как в in vitro, так и в in vivo исследованиях [19]. При инфаркте миокарда кислородное снабжение сердечной мышцы нарушается вследствие повреждения коронарных артерий, вызывая ишемию и некроз миокарда. В модельных опытах на грызунах было продемонстрировано, что введение сероводорода снижает смертность и уменьшает размеры зоны некротического поражения миокарда. Это обеспечивается сосудорасширяющим эффектом сероводорода, который способствует интенсификации кровотока в коронарных артериях при ишемии, снижая тем самым объем повреждений кардиомиоцитов.
Кроме того, получены свидетельства того, что H2S стимулирует процессы ангиогенеза и формирование новых кровеносных сосудов, способствуя миграции эндотелиальных клеток, что также вносит свой вклад в кардиопротекторное действие этого газа [17]. Было показано, что введение экзогенного L-цистеина снижает размер повреждения при инфаркте миокарда при ишемической болезни сердца; считается, что защитный эффект L-цистеина обусловлен увеличением эндогенной продукции H2S, катализируемой CSE, поскольку при ингибировании активности CSE пропаргилглицином (PPG) этот эффект L-цистеина полностью нивелируется [17]. Аналогичные изменения были зафиксированы и при использовании экзогенного донора сероводорода NaHS, который также способствовал вазодилатации коронарных артерий, увеличивая в них объемный кровоток при ишемии и снижая клеточные повреждения миокарда [12].
Установлено, что сероводород активирует АТФзависимые К+-каналы в митохондриях и сарколемме кардиомиоцитов, что также обеспечивает кардиопротекторный эффект.
Экзогенное введение сероводорода, эндогенное или экзогенное повышение экспрессии CSE, любые способы
172
Рекомендовано к изучению разделом по физиологии человека сайта https://meduniver.com/
модулирования содержания H2S в сторону его повышения, демонстрируют терапевтический эффект при ишемической болезни сердца и сердечной недостаточности [20]. Положительный терапевтический эффект H2S был показан на моделях ишемического повреждения: как прекондиционирование, так и посткондиционирование с соединениями, высвобождающими свободный сероводород (NaHS, Na2S and GYY4137) при ишемии/реперфузии миокарда способствовали снижению размеров очага некротического повреждения. Было высказано предположение, что механизмы, обеспечивающие такое протекторное действие, включают активацию антиоксидантной системы и задействуют сигнальные пути антиапоптотической и противовоспалительной направленности [21].
Хронотропный и инотропный эффекты H2S
Опубликованные данные по влиянию сероводорода на частоту сердечных сокращений достаточно противоречивы. В некоторых исследованиях было продемонстрировано снижение ЧСС за счет ингибирования клеток-пейсмекеров синоатриального узла у кроликов. Этот отрицательный хронотропный эффект блокировался при использовании ингибитора KATP-каналов глибенкламида (20 µM), подтверждая вовлеченность этих каналов в реализацию хронотропного эффекта H2S [22].
Уменьшение ЧСС под влиянием H2S способствует снижению потребления энергии, уменьшает нагрузку на сердце благодаря снижению силы сокращения и/или уменьшению энергии мышечного сокращения, поэтому отрицательный хронотропный эффект особенно благоприятен в случае стенокардии. Применение донора сероводорода NaHS оказывает благоприятное действие при аритмии, ассоциированной с повреждением миокарда при ишемии/реперфузии.
В экспериментах на изолированных кардиомиоцитах было продемонстрировано, что в присутствии 40 µM NaHS возрастает вероятность открытия KATP - каналов [23].
173
С другой стороны, приводятся экспериментальные свидетельства того, что сероводород не оказывает значимого хронотропного воздействия в низких концентрациях. Так экспериментально было показано, что ЧСС у крыс остается практически неизменной при использовании H2S в низких концентрациях, хотя при аналогичных воздействиях артериальное давление у них значительно снижается [24].
Потенциал действия клеток-пейсмекеров у кроликов не претерпел существенных изменений при блокаде эндогенной продукции сероводорода пропаргилглицином (PPG) [25].
Противоречивые данные о направленности хронотропного эффекта сероводорода у крыс при сопоставимых концентрациях
ивремени действия представлены в литературе – так Kohno et al. отметили отрицательный хронотропный эффект у крыс,
экспонированных в течение 1 часа при 75 ppm H2S [26]. Противоположный – положительный – хронотропный эффект был зафиксирован в другом исследовании, где крысы в течение
1 часа находились под воздействием 100–200 ppm H2S [27].
Что касается инотропного эффекта, то в ряде публикаций по результатам in vivo и in vitro исследований отражено проявление отрицательного инотропного эффекта сероводорода
у крыс, возможный механизм реализации которого может быть обусловлен блокированием потенциал-зависимых Ca2+ - каналов
иингибированием аденилатциклазы, продуцирующей цАМФ – важнейший вторичный мессенджер, регулирующий сократимость кардиомиоцитов [17]. В исследовании на
изолированном сердце крысы было показано, что H2S вызывает отрицательный инотропный эффект при необратимом повреждении в ходе ишемии/реперфузии, снижая центральное венозное давление и тем самым защищая сердце от повреждения [28]. Сходный эффект был зафиксирован в исследовании на модели in vivo у мышей, получавших 1 мг/кг NaHS в ходе реперфузии [29].
Большинство исследователей пришло к заключению, что открытие АТФ-зависимых калиевых каналов в миокарде играет ключевую роль в реализации отрицательного инотропного
эффекта H2S, поскольку при использовании отмечено
174
Рекомендовано к изучению разделом по физиологии человека сайта https://meduniver.com/
ингибирование этого эффекта сероводорода в присутствии классического блокатора этих каналов глибенкламида. Это также согласуется с проявлением отрицательного инотропного эффекта при действии других активаторов KATP – каналов, вызывающих гиперполяризацию клеточной мембраны [22].
Однако в других исследованиях не удалось зафиксировать отрицательный инотропный эффект сероводорода. Например, было показано отсутствие значимого эффекта NaHS на сократимость изолированных вентрикулярных кардиомиоцитов крысы in vitro. В этих изолированных кардиомиоцитах отрицательный инотропный эффект был зафиксирован для нитропруссида натрия (донора NO) и L-аргинина, а также положительный инотропный эффект для изопротеренола (агониста β-адренорецепторов). Интересно, что и отрицательный инотропный эффект NO, и положительный инотропный эффект изопротеренола снижались в присутствии NaHS. Физиологическое значение NaHS в таком «выравнивании» отрицательного и положительного инотропных влияний на сердце еще предстоит выяснить [30].
Сероводород и сосудистая система
Сероводород как сенсор кислорода
Есть экспериментальные свидетельства того, что H2S принадлежит важная роль в детекции гипоксии, однако механизмы того, как сероводород может обнаруживать дефицит кислорода и реагировать на это, еще недостаточно изучены. Было высказано предположение о том, что эффективный механизм детекции недостатка кислорода может быть обусловлен кислород-зависимым метаболизмом H2S. В основе определения дефицита кислорода могут лежать реципрокные взаимосвязи между концентрациями сероводорода и кислорода в тканях [31].
Результаты исследований электрических и механических ответов изолированных кровеносных сосудов на недостаток кислорода позволяют предположить, что сероводород действует как сенсор кислорода и обеспечивает трансдукцию сигнала в процессе сосудистого ответа на гипоксию. Экспериментальные
175
данные свидетельствуют о том, что у позвоночных реакция сосудов на гипоксию уменьшается при ингибировании синтеза H2S и уровень сероводорода в сосудистой системе регулируется посредством поддержания баланса между эндогенно продуцируемым H2S и его окислением под действием доступного O2 [31].
Гипоксия-индуцибельные факторы (HIF) выступают в качестве ключевых регуляторов уровня кислорода, так как в условиях гипоксии они активируют экспрессию генов-мишеней. Недавними исследованиями продемонстрировано, что подобно NO и CO, H2S вносит существенный вклад в регуляцию функций HIF-1 при гипоксии. В клетках млекопитающих HIF1является главным регулятором гипоксии, поскольку активирует более 100 генов-мишеней в условиях недостатка кислорода [32]. Опосредуемый H2S ангиогенез при гипоксии включает активацию HIF-1 [33]. Получены убедительные свидетельства защитной роли сероводорода для многих органов млекопитающих в гипоксических условиях, однако механизмы, посредством которых H2S реализует функцию сенсора кислорода и инициирует регуляторный ответ, остаются недостаточно изученными. Экспериментально показано, что экзогенный H2S регулирует активность HIF разными способами. Известно, что активация каротидных телец – весьма чувствительный и быстрый механизм ответа на дефицит кислорода, который позволяет оперативно восстановить общее кислородное обеспечение. Уникальная роль каротидных телец в детекции кислорода обусловлена их высокой чувствительностью и быстрой реакцией на гипоксию. Было показано, что H2S выступает в качестве возбуждающего медиатора при детекции кислорода каротидными тельцами [34]. При контакте с кислородом или перекисью водорода H2S легко превращается в полисульфиды. Пока не совсем понятно, вовлечены ли полисульфиды в опосредуемые сероводородом реакцию каротидных телец и регуляцию функций HIF [35].
Сероводород и ангиогенез
176
Рекомендовано к изучению разделом по физиологии человека сайта https://meduniver.com/
Пролиферация и миграция эндотелиальных клеток в ответ на определенный стимул – чрезвычайно важные процессы в эмбриогенезе, ангиогенезе, заживлении ран, ишемии тканей и при различных воспалительных заболеваниях. Пролиферация гладкомышечных клеток сосудов ингибируется сероводородом, а пролиферация и миграция эндотелиальных клеток в культуре или в сосудистой стенке стимулируется H2S. Культура эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC) и bEnd3 микрососудистые эндотелиоциты демонстрируют повышенную пролиферативную и миграционную активность и способность к заживлению ран после обработки NaHS, подтверждая стимулирующий эффект H2S на клетки эндотелия
[36].
Эндогенная продукция сероводорода также играет важную роль в процессах миграции и роста эндотелиальных клеток. Нокаут по CSE вызывал замедление скорости пролиферации эндотелиоцитов пупочной вены человека и аортальных эндотелиальных клеток у мышей, в то время как сверхэкспрессия CSE давала обратный эффект [37].
На модели ишемии задней конечности крысы было показано, что 4-хнедельное применение NaHS заметно стимулирует рост коллатеральных сосудов, повышает плотность капилляров и улучшает периферический кровоток ишемизированной конечности в сравнении с контролем [38]. Тем не менее, несмотря на убедительные экспериментальные подтверждения регуляторной роли соединений серы в процессах пролиферации и миграции эндотелиальных клеток, требуются дополнительные исследования в этом направлении.
Использование в экспериментальных исследованиях соединений, высвобождающих сероводород (например, NaHS) не гарантирует, что при этом фиксируется биологический эффект, вызванный свободным H2S, особенно, если эффект проявляется через несколько часов или даже суток после обработки, поскольку в этом случае стимулирующее пролиферацию и миграцию влияние доноров сероводорода может быть обусловлено действием его окисленных метаболитов [36].
177
Продуцирующие сероводород энзимы тесно связаны с базовым клеточным метаболизмом, включая синтез аминокислот и окислительно-восстановительный баланс, что также оказывает влияние на процессы пролиферации и миграции, и это необходимо учитывать при рассмотрении роли сероводорода как газотрансмиттера либо как генератора полисульфидов [37].
Регуляция сосудистого тонуса и артериального давления
Одним из первых выявленных благоприятных физиологических эффектов H2S стало его влияние на сосудистый тонус и, благодаря этому, регулирующее воздействие на давление крови [25]. Как сам сероводород, так и соединения, его высвобождающие, хорошо известны как вещества, способствующие вазодилатации, смягчающие гипоксическую легочную гипертензию, уменьшающие адгезию лейкоцитов к сосудистой стенке, снижающие сосудистый рестеноз и обладающие противовоспалительным эффектом [39].
Реализуя свое регуляторное действие в артериальных сосудах, H2S играет важную роль в регуляции кровяного давления [40]. Использование ингаляций сероводорода у пациентов с артериальной гипертензией способствовало снижению кровяного давления [41], внутривенное болюсное введение раствора сероводорода вызывало дозозависимое снижение артериального давления у крыс [11]. В in vitro исследованиях донор сероводорода NaHS, традиционно применяемый в экспериментальной практике, также приводил к дилатации различных сосудов: аорты, почечных и брыжеечных артерий, воротной вены и т.д.
Несмотря на хорошо известную роль эндотелия в регуляции сосудистого тонуса, его удаление не оказало значимого влияния на эффект H2S на гладкие миоциты сосудов [11], что свидетельствует о прямом воздействии сероводорода на гладкую мускулатуру сосудистой стенки с вовлечением свойственных ей регуляторных механизмов. Было показано, что как эндотелий, так и гладкомышечные элементы сосудистой
178
Рекомендовано к изучению разделом по физиологии человека сайта https://meduniver.com/
стенки способны продуцировать сероводород, хотя H2S может проявлять вазодилатационный эффект посредством эндотелийнезависимых механизмов [17]. Сосудорасширяющее влияние H2S на гладкие миоциты главным образом связывают с открытием АТФ-зависимых калиевых каналов [5].
Однако было установлено, что сосудорасширяющий эффект сероводорода зависит не только от активации KATФ- каналов, поскольку глибенкламид лишь частично уменьшает вазодилатацию, вызванную NaHS. Было показано, что вазодилатационный ответ в значительной степени ингибируется в присутствии блокаторов Kv7-каналов линопирдина и XE-991, что свидетельствует о вовлеченности этого типа калиевых каналов в реализацию эффекта сероводорода. Kv7 каналы обильно экспрессированы в гладкомышечных клетках сосудистой стенки и в настоящее время рассматриваются как ключевой элемент в регуляции сократимости кровеносных сосудов. Активация сосудистых Kv7 каналов вносит основной вклад в релаксацию сосудов под действием NaHS в тканях аорты крысы и человека [42].
В последнее десятилетие была подтверждена важная роль Kv7 (KCNQ) потенциал-зависимых калиевых каналов в регуляции возбудимости гладких миоцитов, было высказано предположение, что понижающая регуляция этих Kv7 каналов может вносить определенный вклад в повышение артериального давления при гипертензии. Поэтому фармакологическая активация остаточных Kv7 каналов может стать основой нового терапевтического подхода к лечению гипертензии [43].
Роль сероводорода в патогенезе гипертензии спонтанно гипертензивных крыс (SHR) была изучена, гипертензия у этих животных развивалась спонтанно с уменьшением продукции сероводорода и экспрессии CSE в тканях аорты и снижением содержания H2S в плазме крови [44]. Применение NaHS в течение 5 недель замедлило развитие гипертензии у SHR и частично обратило вызванные гипертензией ремоделирование сосудов и накопление коллагена [45].
Для доказательства физиологического значения эндогенного H2S можно использовать метод подавления его
179
эндогенной продукции с анализом изменений фенотипа. У мышей с генетической делецией CSE продукция H2S в сердечно-сосудистой системе существенно (однако не полностью) блокируется. Из-за нехватки эндогенного сероводорода артериальная гипертензия у таких животных фиксировалась в возрасте 8 недель, но это могло быть успешно предотвращено инъекцией экзогенного H2S. Еще одним важным результатом этого исследования было то, что развитие гипертензии у нокаутированных по CSE мышей было обусловлено тяжелым нарушением эндотелий-зависимой вазодилатации мелких резистивных артерий. Сероводород действует как на эндотелиоциты, так и на гладкие миоциты сосудистой стенки, вызывая вазорелаксацию, у нокаутированных по CSE мышей этот процесс нарушается из-за нехватки CSE [46].
Таким образом, H2S действует как эндогенный модулятор сократительной активности сосудистой стенки. В отличие от вазорелаксации, вызываемой оксидом азота и моноксидом углерода, вазодилатация, обусловленная влиянием сероводорода, реализуется без участия цГМФ-зависимых сигнальных путей. В то же время подобно NO CO, H2S способен ингибировать пролиферацию гладких миоцитов и ускорять апоптоз in vitro, показано, что этот эффект опосредуется активацией МАР-киназы и каспазы 3 [47]. Поэтому H2S – это не только вазодилататор, но еще и важный регулятор клеточного роста, способный подавлять структурное ремоделирование сосудистых тканей [12].
Оксид азота рассматривается как эндотелиальный релаксирующий фактор (EDRF), однако во многих сосудах сосудорасширяющий эффект лишь частично снижается в присутствии ингибиторов NOS и в случае нокаута по eNOS. Активность EDRF, вызванная действием NO, наиболее выражена в крупных сосудах, таких как аорта, в то время как в резистивных сосудах, которые непосредственно регулируют давление крови, этот эффект NO не так очевиден. Было высказано предположение, что NO действует в качестве EDRF в
180
Рекомендовано к изучению разделом по физиологии человека сайта https://meduniver.com/